50. Передача логических сигналов по длинным линиям

Случай, когда сигнал с выхода КМОП-схемы се­мейства 74НС поступает на вход другой КМОП-схемы, которая включена на конце длинной линии, образованной сигнальным проводом и землей, как показано на рис. 11.9. Сопротивление «открытого» р- или л-канального транзистора на выходе микросхем семейства НСТ равно примерно 100-200 Ом; для простоты примем его равным 150 Ом как при высоком, так и при низком уровне выходного сигна­ла. Волновое сопротивление типичного соединения в виде дорожки на печатной плате относительно земли находится в пределах 100-150 Ом; давайте для удобства примем его равным 150 Ом, чтобы коэффициент отражения на том конце линии, к которому подключен источник сигнала, был равен 0. Входное со­противление КМОП-схемы в типичном случае больше 1 МОм, поэтому коэффи­циент отражения на приемном конце линии можно принять равным +1.

Рис. 11.9. Отражения в линии, по которой передается логический сигнал, изменяющийся от низкого уровня до высокого.

На рисунке представлен случай перехода сигнала с низкого уровня на высокий. Когда уровень сигнала на выходе КМОП-схемы изменяется с низкого на высокий, источник напряжения 5. В оказывается нагруженным последовательно включен­ными выходным сопротивлением КМОП-схемы, равным 150 Ом, и волновым со­противлением линии Z₀ = 150 Ом, поэтому вдоль линии начинает распространяться волна напряжения с амплитудой 2.5 В. Спустя время Т эта волна достигает входа вентиля U2 на дальнем конце линии и отражается. По прошествии времени 2Т отра­женная волна достигает конца, к которому подключен выход логического элемен­та, и поглощается без отражения, поскольку на этом конце ρ = 0.

Все работает прекрасно в том, что касается вентиля U2 на дальнем конце ли­нии, который «видит» мгновенное изменение напряжения от 0 В до 5 В через время Т после того, как произошло переключение в источнике сигнала. Однако посмотрите на форму сигнала, поступающего на вход другого вентиля U1, распо­ложенного на полпути между источником сигнала и вентилем U2. Как видно из рисунка, на входе вентиля U1 в течение времени Г присутствует сигнал с напряже­нием только 2.5 В. На входе логического элемента расположенного еще ближе к источнику сигнала, такое напряжение продержится даже дольше. В этом и состоит проблема, поскольку напряжение 2.5 В является как раз пороговым входным на­пряжением для 5-вольтовых КМОП-схем. Если такое входное напряжение присут­ствует на входе вентиля U1 достаточно долго, то на его выходе могут возникнуть колебания или установится выходное напряжение, не соответствующее ни одно­му из логических уровней. Любое соединение, по которому передается логический сигнал, независимо от его физической протяженности, является длинной линией. Однако наше рас­смотрение в значительной степени идеализировано. На практике эффекты, возни­кающие в длинных линиях не вызывают никаких проблем, если время T меньше длительности переходов в логических сигналах и задержек, вносимых логичес­кими элементами. Когда выполнены эти условия, колебания, вызванные отраже­ниями, заканчиваются, как правило, прежде, чем приемники, подключенные к шине, успевают их заметить.

Некоторые неприятности возникают в том случае, когда с высокого уровня на низкий переходит сигнал на выходе быстродействующего элемента. Напри­мер, при низком уровне сигнала выходной каскад КМОП-вентиля семейства FCT представляет собой резистор с сопротивлением 10 Ом, включенный между вы­ходом и землей (рис. 11.10). Поэтому коэффициент отражения на передающем конце равен примерно -0.88. В первый момент, когда выходной сигнал переходит на низкий уровень, система выглядит как делитель напряжения, состоящий из ре­зистора с сопротивлением 10 Ом, включенного последовательно с волновым сопротивлением линии, равным 150 Ом. Учитывая, что начальное напряжение на линии равнялось 5В, новое напряжение на входе линии должно стать равным

Следовательно, вдоль линии начнет распространяться волна напряжения с амп­литудой (0.31 - 5.0) = -4.69 В. Когда спустя время T эта волна достигает приемно­го конца линии, происходит отражение с сохранением знака и с той же амплитудой отраженной волны (так как р = 1). Таким образом, напряжение на приемном конце линии теперь равно V₂ = 5.0 - 4.69 - 4.69 = -4.38 В, то есть напряжение становится отрицательным! Это явление называется отрицательным выбросом.

возврат на низкий уровень р-

Рис. 11.10. Отражения в линии при изменении передаваемого логического сигнала с высокого уровня на низкий. Когда в момент времени 2Т отраженная волна напряжения с амплитудой —4.69 В возвращается к передающему концу линии, происходит еще одно отра­жение. На сей раз, поскольку значение р отрицательно, отраженная волна поло­жительна, а ее амплитуда равна -0.88*(-4.69) = + 4.10 В. Теперь напряжение на выходе источника сигнала изменяется на величину, равную сумме амплитуд двух волн: волны, пришедшей со стороны дальнего конца линии, и новой отраженной волны, уходящей в сторону дальнего конца линии; поэтому V_out = 0.31- 4.69 + 4.10 = -0.28 В. В этом месте не возникает никаких проблем. Но когда в момент времени 3^отраженная волна напряжения с амплитудой +4.10 В достигает при­емного конца линии, происходит очередное отражение, в результате которого возникает волна той же полярности, и напряжение на входе вентиля U2 стано­вится равным V₂ = -4.38 + 4.10 + 4.10 = 3.82 В, то есть мы снова возвращаем­ся к положительному напряжению!

Согласно рисунку, отражения продолжаются и в дальнейшем, и напряжения на передающем и приемном концах линии асимптотически стремятся к 0 В. Это зна­чение можно было бы предсказать, анализируя поведение схемы по постоянному току. Такой колебательный характер изменения напряжения называется звонам.

Большая амплитуда звона на приемном конце линии может вызвать осложне­ния, так как в течение интервала времени длительностью 27T напряжение V₂ не попадает в диапазон значений, меньших, чем величина порога для сигнала низкого уровня (0.8 В). Таким образом, фактическая задержка передачи сигнала в этой схеме оказывается во много раз больше задержки распространения сигнала по линии. Хуже того, если данный сигнал является тактовым сигналом, то в результате звона появятся дополнительные фронты, приводящие к ошибочному переключе­нию триггеров на приемном конце линии.

Еще раз, рассмотренные нами эффекты, возникающие в длинной линии при передаче логических сигналов, не вызывают никаких проблем в том случае, когда время Т намного меньше длительности переходов в логических сигналах и задер­жек, вносимых логическими элементами. Кроме того, во входных цепях ТТЛ-схем и многих КМОП-схем имеются демпфирующие диоды. При нормальной работе эти диоды, включенные между каждым из входов и зем­лей, смещены в обратном направлении (см, рис. 3.75). Благодаря наличию этих диодов входное сопротивление вентиля при отрицательных напряжениях стано­вится очень малым, в результате чего отрицательный выброс, возникающий в момент времени Г, оказывается не таким большим по величине и его значение равняется примерно 1 В. Поэтому уменьшается амплитуда отраженной волны, распространяющейся назад к передающему концу линии, что в свою очередь дает меньший выброс в момент времени 3T, не превосходящий 1 В. Кроме того, на входах некоторых схем имеются диоды, подключенные к источнику питания V_CC, что ограничивает выбросы напряжения, возникающие тогда, когда сигна­лы на выходах вентилей с малым выходным сопротивлением переходит с низ­кого уровня на высокий.